配有圆钢管的钢骨混凝土轴压短柱的极限承载力计算（Ⅱ）.pdf

四川建筑科学研究 第 卷第 期 年 月 收稿日期： 作者简介： 梁本亮（ ） ， 男， 工学博士， 副教授， 主要从事混凝土 结构抗震方面的研究。 基金项目： 上海师范大学科研基金（ ） ： 配有圆钢管的钢骨混凝土轴压短柱的 极限承载力计算（ ） 梁本亮， 刘建新， 牛宇， 张嘉天 （ 上海师范大学建筑工程学院， 上海 ） 摘要： 针对钢管混凝土核心短柱轴压状态， 采用汉基塑性全量理论对钢管进行极限承载力分析， 得到屈服时钢管 竖向应力对承载力的贡献， 同时对核心混凝土采用 屈服准则进行钢管约束下的承载力的计算分析。 考虑配箍率对极限承载力的影响， 提出了不同配箍率下的钢管混凝土核心短柱的极限承载力计算公式， 并与现有 试验数据进行对比， 结果吻合良好， 为钢管混凝土轴压短柱极限承载力的计算提供一种新的方法。 关键词： 钢管混凝土； 核心短柱； 轴心受压； 极限承载力 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （ ） ， ， ， （ ， ， ， ） ： ， ， ， ， ： ； ； （ 续前） 核心混凝土 当核心混凝土受三向压应力作用时， 混凝土的 破坏主要由受压破坏面的扩张控制。当塑性变形发 生时， 为描述屈服面在压缩和拉伸情况下的强化和 软化， 由应力 应变关系曲线来引导屈服面的扩张， 可用 屈服准则进行分析 。 屈服准则为： （ ， ） 槡 （ ） 式中 ； （ ） （ ） （ ） ； 槡 （ ） （ 与材 料内摩擦角有关） ； 槡 （ ） （ 与材料粘聚 力有关） 。 对混凝土而言， 很少测定其粘聚力和内摩擦角， 一般采用其单轴拉压强度 和 来表示， 即有： （ （ ） ） ； （ ） （ ） ， 代入到 和 中可得到： 槡 ； 槡 。 核心混凝土处于三向受压的应力状态， 当钢管 进入塑性时， 联合外包箍筋的约束在核心混凝土周 围产生围压， 此时的应力状态可以表示为： ， 代入式（ ） 可求得： （ ） （ ） （ ） （ ） 槡 （ ） 槡 （ ） （ ） 将 和 代入式（ ） 可得： （ ） 将式（ ） 和式（ ） 代入式（ ） 得到核心混凝 土的三向应力状态下的抗压强度： （ （ ） ）（ （ ） ） （ ） 钢管核心混凝土受到钢管约束， 侧压力较大， 内 摩擦角较小， 因此， 计算时常取 。 由此可以得到核心混凝土在箍筋和钢管双重约 束下的强度， 为含钢率， 和 分别为外包混凝土 抗压强度和钢管核心混凝土抗压强度。 （ （ ） ） （ ） （ 槡 ） （ ） 外围箍筋约束混凝土 外围混凝土采用文献 中提出的公式， 对矩 形箍筋按式（ ） 计算， 对螺旋形箍筋按式（ ） 计算， 为箍筋约束指标。 （ ） （ ） 钢管混凝土核心柱的轴压极限承载力计算 公式 在上述理论推导的基础上， 结合林永安提出的 外包混凝土仅考虑箍筋范围内的承载力， 可以得到 钢管核心混凝土短柱轴心受压的极限承载力的计算 公式： （ ） 式中 为外包混凝土的箍筋约束混凝土抗压强 度， 对矩形箍筋和螺旋形箍筋分别按式（ ） 和式 （ ） 计算； 为外围混凝土除去保护层后的面积； 为钢管核心混凝土抗压强度， 按式（ ） 计算； 为核心混凝土面积； 和 分别为钢管屈服时的竖 向应力和面积， 按式（ ） 计算； 和 分别为纵向 钢筋的屈服强度和面积。 承载力计算校核 计算准确度校核 为了校核本文公式计算承载力的准确度， 选取 参考文献的数据进行验证。本文所选取的计算参 数， 均考虑了临界配箍率的影响， 即表 所选实例的 配箍率 等于或者接近于临界配箍率 ， 计算公式 按照式（ ） 计算。利用公式（ ） 进行计算， 结果与 实测值误差在 以内， 与其他计算方法的比较见 图 。从图中可以看出， 公式（ ） 计算值与其他方 法相比， 具有更高的精确度。 表 计算结果比较（ ） （ ） 试件编号 钢管套箍 指标 箍筋套箍 指标 计算值 试验值 注： 试件详细参数可参考文献 。 图 各公式计算值与试验值的比较 梁本亮， 等： 配有圆钢管的钢骨混凝土轴压短柱的极限承载力计算（ ） 参数讨论 对于配箍率没有达到临界配箍率的情况， 现有 的研究结论认为核心混凝土尚未完全发挥作用， 外 围混凝土已经失效， 为了使得公式不失一般性， 可以 假设核心混凝土柱只达到了极限承载力的 倍， 为小于 的数， 称为承载力折减系数。令 ， 和 分别为实际配箍率和临界配箍率。由此可以 得到实际配箍率小于临界配箍率时的核心柱极限承 载力计算公式（ ） ， 公式中各参数物理意义同式 （ ） 。关于临界配箍率的计算方法可以参见文献 ， 由该公式计算的极限承载力与试验值比较， 均值为 ， 方差为 ， 可以保证计算精确 度， 说明将实际配箍率与临界配箍率的比值作为核 心混凝土柱的承载力折减系数是可行的。公式 （ ） 的计算结果与其他方法的比较见图 ， 从图中 可以看出， 公式（ ） 的计算值与实测值最为接近。 （ ） 表 计算结果比较（ ） （ ） 试件编号试件代码 钢管 箍筋 套箍指标 实际配箍率 临界配箍率 计算值 试验值 注： 试件详细参数可参考文献 ， 。 图 各公式、 软件计算值与试验值的比较 ， 结论 钢管混凝土核心柱， 随着荷载的增加， 核心混凝 土逐步受到钢管和外围混凝土的横向约束， 其极限 承载力与外围混凝土、 钢管和核心混凝土以及纵向 钢筋有关。通过研究可以得到如下结论： ） 本文通过基于 应力应变的塑性全量 理论， 对钢管在极限状态时的竖向应力和环向应力 进行了推导， 得到钢管约束下核心混凝土的围压， 同 时对箍筋和钢管约束下的核心混凝土强度进行了基 四川建筑科学研究第 卷 于 屈服准则的推导， 得到了核心混凝 土的三向受压下的强度， 在此基础上， 考虑外围混凝 土的箍筋范围内的承载力， 得到了钢管混凝土核心 柱的极限承载力。 ） 根据承载力计算公式， 对配箍率小于临界配 箍率的情况， 提出以配箍率比值为标准的承载力折 减系数。本文提出的公式， 扣除外包混凝土的保护 层厚度， 与现有的试验结果进行了对比验证， 结果证 明具有较高的计算准确度， 可以作为一种确定钢管 混凝土核心短柱轴压极限承载力的计算方法。 ） 本文提出的计算公式， 对应外围混凝土实际 配箍率大于等于临界配箍率和小于临界配箍率两种 情况， 分别与其他的公式以及软件计算结果进行了 对比， 也验证了本文公式的有效性和准确度。 参 考 文 献： 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 北京： 人民交通出版社， 钟善桐 钢管混凝土统一理论： 研究与应用 北京： 清华大 学出版社， 刘洁， 王正中 钢管混凝土核心短柱轴压承载力计算方法研 究 公路交通科技， （ ） ： 钢管混凝土结构设计与施工规程 幸坤涛， 赵国藩 高强混凝土核心柱轴压短柱的承载力研究 钢结构， ， （ ） ： 林拥军 配有圆钢管的钢骨混凝土柱试验研究 南京： 东 南大学， ： 聂建国， 赵洁， 柏宇， 等 钢管混凝土核心柱轴压极限承载 清华大学学报： 自然科学版， ， （ ） ： 聂建国， 柏宇， 李盛勇， 等 钢管混凝土核心柱轴压组合性能 分析 土木工程学报， （ ） ： 林永安， 谢晓峰 钢管混凝土核心短柱轴心受压承载力的研究 广东土木与建筑， （ ） ： 顾威， 赵颖华 钢管混凝土轴压短柱的强度计算 工业建筑， （ ） ： 顾威， 赵颖华， 尚东伟 钢管混凝土轴压短柱承载力分 析 工程力学， （ ） ： 顾威， 王庆利， 赵颖华 圆 钢复合管混凝土轴压短柱试 验研究 沈阳建筑工程学院学报： 自然科学版， ， （ ） ： 孔庆松， 刘平， 廖新贵， 等 一种基于 准则的 钢管混凝土轴压柱承载力计算方法 湖南工业大学学报， （ ） ： 过镇海 钢筋混凝土原理 北京： 清华大学出版社， 柏宇 分层钢管混凝土芯柱及其节点的试验研究 北 京： 清华大学， 蔡健， 谢晓峰 核心高强钢管混凝土柱轴压性能的试验研究 华南理工大学学报： 自然科学版， ， （ ） ： 卢方伟， 李四平， 孙国钧 方钢混凝土轴压短柱的非线性有限 元分析 工程力学， ， （ ） ： 张素梅， 刘界鹏， 马乐， 等 圆钢管约束高强混凝土轴压短柱 的试验研究与承载力分析 土木工程学报， ， （ ） ： ， ， （ ） ： 余志武， 丁发兴， 林松 钢管高性能混凝土短柱受力性能研 究 建筑结构学报， （ ） ： 王玉银， 张素梅 圆钢管高强混凝土轴压短柱性能的试验研究 哈尔滨工业大学学报， （ ） ： 丁发兴， 余志武 钢管混凝土短柱力学性能研究 理论分析 工程力学， （ ） ： 余志武， 丁发兴 混凝土受压力学性能统一计算方法 建筑 结构学报， ， （ ） ： 梁本亮， 等： 配有圆钢管的钢骨混凝土轴压短柱的极限承载力计算（ ）